输入时滞下水下无人航行器轨迹跟踪控制研究

In order to deal with the trajectory tracking problem of underactuated UUV with the constraints of inherent parameter uncertainty, input time-delay and underactuated characteristics. This project aims to carry out the following three key important problems based on bio-inspired dynamic model, delay partitioning idea and robust control method. First, a guidance law for the virtual vehicle is proposed based on the bio-inspired dynamic model to deal with the speed jump problem caused by the corners of reference trajectory. Second, a new approach is proposed into the construction of Lyapunov-Krasovskii functional using delay partitioning idea where the parameter uncertainty is neglected. The obtained stability condition is much less conservative than most of the existing results. Third, the influence of parameter uncertainty is analyzed, and the problem of stability analysis and stabilization are analyzed. In addition, a robust state feedback control strategy is designed for the trajectory tracking control system subject to linear matrix inequality. On the basis of above results, trajectory tracking experiments are carried out to verify the feasibility of control strategy. Through the research project, the performance of trajectory tracking could be ultimately improved so as to satisfy the reliability, and to be a theoretical foundation for the real maneuvering with inherent parameter uncertainty and input time-delay.

为解决模型参数不确定性、控制输入时滞下欠驱动UUV三维轨迹跟踪问题，本项目拟采用生物启发模型、时滞分割与鲁棒控制等方法，开展以下三个关键问题研究。第一，利用生物启发模型设计虚拟航行器的期望速度，解决目标轨迹存在拐点而引起的控制算法输出超限问题。第二，在忽略模型不确定性情形下，基于时滞分割思想改进Lyapunov-Krasovskii泛函构造方法，降低轨迹跟踪系统稳定性判据的保守性。第三，考虑欠驱动UUV水动力参数不确定性，深入研究多约束条件下的稳定性设计方法，综合利用线性矩阵不等式工具实现水动力参数摄动范数有界下时滞轨迹跟踪控制系统的鲁棒状态反馈控制。以上述研究为基础，对欠驱动UUV轨迹跟踪开展模拟试验，以验证控制策略的可行性。通过本课题的研究，为解决参数不确定下具有时滞特性的欠驱动UUV轨迹跟踪问题奠定理论与技术基础。

水下无人航行器（UUV）是一种人不在现场、可长期潜入水下执行作战或作业任务，且能回收和反复使用的复杂无人系统。UUV搭载不同的任务模块后可满足军事领域、科学领域及经济领域的不同需求。其中，轨迹跟踪控制是实现UUV水下动目标跟踪、水下运动母船回收及多UUV协调编队控制的前提条件和技术基础。然而，UUV执行机构存在不可忽略的时滞特性，当舵机指令时延增大后未考虑输入时滞设计的轨迹跟踪控制器不能实现轨迹跟踪。其次，UUV水动力系数会随着航行状态及其航行环境的变化而产生摄动，常规方法设计的轨迹跟踪控制器很难保证实际UUV的系统稳定性。再次，欠驱动UUV独立控制输入的维数少于运动系统自由度的维数，属于典型的二阶非完整性系统，其运动系统在任何光滑时不变的控制律作用下均无法实现该系统的渐近稳定。针对恒定外界扰动以及由于跟踪轨迹不光滑引起的运动参数跳变问题，本项目提出了一种结合反步控制和生物启发模型设计控制器的方法，该方法从动力学角度设计三维动态速度调节轨迹跟踪控制器，可以有效的抑制拐点处运动轨迹误差。针对输入时滞约束下的欠驱动UUV三维跟踪控制问题，设计了一种时滞状态反馈控制器。通过引入自由权矩阵，Moon不等式以及Jensen不等式来降低引入Lyapunov-Krasovskii泛函带来的保守性，进而推导出易于求解的LMI形式的稳定条件。针对输入时滞、模型参数不确定性和外界干扰共同约束下的欠驱动UUV轨迹跟踪控制问题，提出了一种积分滑模控制器。对欠驱动UUV输入时滞模型进行简化，将系统划分为由运动学子系统和动力学子系统组成的级联系统，并建立轨迹跟踪位姿和速度误差方程。基于级联系统控制器的设计方法设计积分时滞滑模控制律，通过构造适应的Lyqpunov-Krasovskii泛函分析子系统的稳定性，并给出LMI形式的全局稳定性结论。仿真结果表明，利用所提出的方法可以实现参数不确定下具有时滞特性的欠驱动UUV三维轨迹跟踪控制。